劉家銘++萬志偉++張宇峰

摘 要：在生產(chǎn)過程中尤其是石油工業(yè)中對(duì)管道的使用愈加頻繁，為了確保長(zhǎng)輸管道的質(zhì)量，各種無損檢測(cè)技術(shù)與工藝也逐漸應(yīng)用于管道。對(duì)于目前的各項(xiàng)技術(shù)而言，都存在著一些缺點(diǎn)，且費(fèi)用較為昂貴，在生產(chǎn)過程中無法大規(guī)模使用。本文主要對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行探討，分析在單相流體及多相流體中超聲波檢測(cè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：管道；超聲波檢測(cè)；單相流體；多相流體

中圖分類號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0086-02

1 管道探測(cè)實(shí)驗(yàn)背景

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，在工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)于管道運(yùn)輸技術(shù)的使用也更為依賴，同時(shí)也對(duì)管道的質(zhì)量提出了更高的要求，對(duì)于管道內(nèi)物體的狀態(tài)分析也成為了一個(gè)難題。當(dāng)前，常規(guī)的管道內(nèi)檢測(cè)方法有漏磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等，其中漏磁檢測(cè)的應(yīng)用最為廣泛和成熟，但漏磁檢測(cè)只適用于材料表面和近表面的檢測(cè)，且抗干擾能力差、空間分辨力低，因此，被測(cè)管壁不能太厚。渦流檢測(cè)由于自身特點(diǎn)在應(yīng)用中尚存在一些技術(shù)難題，例如深透性變化會(huì)產(chǎn)生類似金屬缺損的信號(hào)，掩蓋真正的信號(hào)。

相對(duì)于其他技術(shù)而言，超聲波檢測(cè)技術(shù)[1]是依靠物體本身的物理性質(zhì)的一種檢測(cè)技術(shù)，受工作環(huán)境影響小，可以在不影響管道運(yùn)行的情況下進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)，而且超聲波技術(shù)的檢測(cè)精度高，檢測(cè)速度快，可以通過不同的特殊配置從而適用于不同管徑和復(fù)雜環(huán)境的管道，已經(jīng)成為近年來管道內(nèi)檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 管道測(cè)量方法綜述

2.1 單相固態(tài)測(cè)量

（1）直接物位觀察法：由容器上的透明窗口直接觀察物料，或用連通器原理直接觀察液體的物位，方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、可靠，但需要現(xiàn)場(chǎng)指示，而且通過肉眼人為觀測(cè)，存在較大的誤差，也降低了工業(yè)生產(chǎn)的效率。（2）靜壓式物位檢測(cè)法：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)密度不變時(shí)，靜止介質(zhì)內(nèi)某一點(diǎn)的靜壓力與此點(diǎn)上得介質(zhì)高度成正比，則可通過測(cè)量壓力計(jì)算獲取物位信息。（3）電氣式物位檢測(cè)法：物體運(yùn)輸過程中，對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生改變，從而可以將物位的變化轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)的變化來計(jì)算物位信息。（4）機(jī)械接觸式物位檢測(cè)法：通過與被檢測(cè)物體的直接接觸，獲取物體的質(zhì)量等信息，主要有重錘式、音叉式和旋翼式音叉式等。（5）其他檢測(cè)法：聲波式，光學(xué)式，輻射式等測(cè)量方法主要通過被測(cè)物體的聲波，光波，熱量反射測(cè)算物位信息。

2.2 單相液態(tài)測(cè)量[2]

（1）浮力式液位檢測(cè)：利用漂浮于液面上的浮標(biāo)來對(duì)液體物位進(jìn)行檢測(cè)。（2）電氣式液位檢測(cè)法：液體流動(dòng)過程中，對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生改變，從而可以將流場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)的變化來計(jì)算液位信息。

2.3 多相測(cè)量

（1）聲波式：即利用超聲波為代表的聲波進(jìn)行測(cè)量，通過使用聲波的傳播和反射特性進(jìn)行計(jì)算和重建多相相位和相面信息。（2）光學(xué)式和輻射式：利用紅外等方式進(jìn)行測(cè)量，通過電磁波波長(zhǎng)等特性進(jìn)行測(cè)量。

3 超聲波測(cè)量原理

3.1 超聲波基礎(chǔ)信息采集

3.1.1 穿透式

顧名思義，穿透式信息采集方式是指將超聲波收發(fā)裝置分離并置于待測(cè)物質(zhì)兩側(cè)或其它利于采集數(shù)據(jù)的位置。收集穿透待測(cè)物質(zhì)的超聲波作為信息源進(jìn)行分析。

由于超聲波有一定的穿透能力，采用穿透式正是因?yàn)槿绱?，并且因此穿透式更適用于超聲波衰減較小的、誤差可以接受的物質(zhì)測(cè)量上。

該方式的使用比較甚至可以說是相當(dāng)靈活，利于組成陣列，更適合搜集多樣的數(shù)據(jù)。但在發(fā)射裝置的強(qiáng)度和接收裝置的靈敏度上也有較高要求，并且對(duì)于待測(cè)物質(zhì)也有一定的限制。

從經(jīng)濟(jì)角度來看，該方式也會(huì)使用較多的超聲波檢測(cè)器或收發(fā)裝置，另外，這種裝置的價(jià)格也都較為昂貴，盡管使用方式多樣，技巧性高，但是也會(huì)造成實(shí)驗(yàn)裝置不夠精巧、體積笨重。相較而言，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也較難搭建，各個(gè)裝置的位置和固定精度要求都較高，對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作、信息采集和實(shí)際應(yīng)用來說有一定的困難和限制。

3.1.2 反射式

同樣的，顧名思義，反射式的信息采集方式是指在同一處或者同一側(cè)發(fā)射并接收信息。收集從介質(zhì)表面反射回的超生波信號(hào)來作為信息源進(jìn)行分析和檢測(cè)計(jì)算。

由于超聲波在接觸介面是不僅有一部分穿透，還有相當(dāng)一部分聲波被反射，采集這部份聲波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)的要求和收發(fā)裝置的強(qiáng)度以及靈敏度要求相比于穿透式而言要降低許多。

但是相應(yīng)的，由于收發(fā)信號(hào)的裝置在同一處或同一側(cè)，試驗(yàn)裝置或應(yīng)用中對(duì)于探測(cè)器位置和算法的要求會(huì)相應(yīng)提高。也就是說探測(cè)器的靈活性降低，所能測(cè)得的數(shù)據(jù)廣度也會(huì)相應(yīng)降低，在理論上需要更多的計(jì)算和研究。

3.2 精度調(diào)整及環(huán)境補(bǔ)償

3.2.1 超聲波速度調(diào)整

由于環(huán)境對(duì)超聲波波速有影響，為了提高測(cè)距的精度，通常用補(bǔ)償算法來計(jì)算聲速在不同環(huán)境下的數(shù)值。可以從硬件和軟件兩個(gè)方面著手來實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度的提高。

硬件：可以加入電路來進(jìn)行環(huán)境溫度檢測(cè)。

軟件：通過優(yōu)化程序來準(zhǔn)確獲取渡越時(shí)間。影響波速的因素有大氣壓力、環(huán)境的溫度、濕度等。溫度影響占主導(dǎo)地位，這是因?yàn)槌暡ㄊ且环N機(jī)械波，傳播速度的直接影響因素是傳播介質(zhì)密度，且介質(zhì)的密度越大，聲波速度越快，而空氣密度和溫度有密切關(guān)系。

空氣中超聲波速度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系可用以下公式確定：

我們提出以下方法對(duì)超聲波聲速進(jìn)行溫度補(bǔ)償：采用溫度采集模塊獲取環(huán)境溫度，按照公式對(duì)超聲波聲速進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。

3.2.2 超聲波路程調(diào)整

超聲波與光波相同，都是以波的形式在介質(zhì)中傳播，所以，在多相流體中，由于存在聲密介質(zhì)和聲疏介質(zhì)這兩種不同的介質(zhì)，超聲波會(huì)在兩種介質(zhì)的界面發(fā)生折射，從而導(dǎo)致超聲波的傳播路徑發(fā)生改變，影響最終的結(jié)果。由于超聲波檢測(cè)技術(shù)是對(duì)管道內(nèi)多相流體各相的位置進(jìn)行測(cè)量，所以在測(cè)量時(shí)，相界面的位置無法得知，所以也無法確定對(duì)應(yīng)的折射角和由于折射增加的聲波路程。這個(gè)問題對(duì)于目前的檢測(cè)而言是一個(gè)難題。

4 多相流體實(shí)驗(yàn)?zāi)M

根據(jù)上述方法和原理，我們擬采用Matlab編程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬生產(chǎn)過程中石油工業(yè)，輸油管道內(nèi)多相流體探測(cè)[4]，驗(yàn)證超聲波重建成像的可行性。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及說明

實(shí)驗(yàn)器材：

電腦1臺(tái)，用于運(yùn)行建模程序，顯示成像結(jié)果；

51單片機(jī)1套，用于接收基礎(chǔ)信號(hào)；

超聲T/R模塊多組，用于發(fā)射、接收超聲信號(hào)；

橡皮泥0.5kg，用于模擬介質(zhì)1；

凝膠（其他固體）一瓶，用于模擬介質(zhì)2。

注：超聲波T/R組件外形尺寸參數(shù)：

半徑Φ=16mm，高H=10mm

4.2 實(shí)驗(yàn)基本原理與假設(shè)

（1）當(dāng)收發(fā)組件的相對(duì)位置確定之后，收發(fā)元件之間的距離固定。（2）假設(shè)單一介質(zhì)中，聲波的速度分布是一致的。（3）假設(shè)根據(jù)流體的流動(dòng)特性，兩相之間的分界面完全垂直于管截面。（4）假設(shè)超聲波定向性近似于一條直線。（5）若管內(nèi)流動(dòng)的是一相流體，在1至8的發(fā)射組件一次開啟組成的周期內(nèi)，發(fā)收時(shí)間應(yīng)該滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。（6）如果存在兩相界面，那么速度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化，依據(jù)速度場(chǎng)的差異可重建管內(nèi)流體圖像。（7）圖像重建的核心在于判斷分界面的位置，根據(jù)速度分布確定兩相流體分界面的位置。

4.3 實(shí)驗(yàn)步驟

使用MATLAB軟件編程，設(shè)置圓形管道，讓4組傳感器在其上均勻分布。自由設(shè)定管道直徑，液面高度，傳感器位置，兩種介質(zhì)中的聲波的傳播速度。通過調(diào)節(jié)參數(shù)獲得相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得液面高度。模擬圓形管道圖如圖1所示。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）不同液面高度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如表1所示。

（2）不同管道半徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如表2所示。

在上述實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)中，我們可以看出，在大部分情況下，實(shí)際液面高度與計(jì)算液面高度都可以較好的匹配，所以我們可以證明，通過多組傳感器測(cè)量時(shí)間數(shù)據(jù)從而計(jì)算兩相界面的方法是較為科學(xué)，準(zhǔn)確的。

5 結(jié)語

通過對(duì)于國(guó)內(nèi)外許多論文文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)，我們對(duì)于目前用于工業(yè)生產(chǎn)中的各種檢測(cè)技術(shù)有了更深的了解，并且將這些技術(shù)與超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)識(shí)到超聲波在檢測(cè)技術(shù)上的諸多優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的可能性。同時(shí)我們也對(duì)超聲波的檢測(cè)原理進(jìn)行了學(xué)習(xí)和模擬實(shí)驗(yàn)，擁有了這些理論，我們才能設(shè)計(jì)出科學(xué)而合理的方法進(jìn)行管道內(nèi)物質(zhì)狀態(tài)的探究，雖然目前存在著許多的問題，但需要我們不斷去嘗試更好的方法才能得以解決。

參考文獻(xiàn)

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